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涡旋电磁波:无线通信的革命 精选

已有 16919 次阅读 2011-2-26 19:31 |个人分类:谈点正事|系统分类:科研笔记|关键词:科研,电磁波,无线通信,应用需求| 科研, 电磁波, 无线通信, 应用需求

    最近,nature报道[1],利用电磁波的扭曲和波长,有可能极大地拓宽移动电话、数字电视以及其他通信技术的可用带宽。这无疑将对当今的无线通信技术产生革命性的影响。"Spiralling radio waves could revolutionize telecommunications。"

    由瑞典空间物理研究所Bo Thidé和意大利帕多瓦大学Fabrizio Tamburini领导的一个研究小组声称,他们可以将一束电磁波扭曲成一束涡旋电磁波,而且可以在远处用天线探测到这束涡旋电磁波。众所周知,两束光或电磁波的干涉要求它们必须频率相同,因而不同频率的波可以无干涉地共同传播。利用这一特性可以增加发射和接收端之间的传输信道数量,从而提高通信容量,如波分复用或频分复用技术。Tamburini认为,同样,利用同一频率但具有不同扭曲度的电磁波也可以极大地增加传输带宽,提高通信容量。他并预计采用这项技术,只需要花费少量额外的费用,在目前的移动电话和手提电脑等装置内部精确地安装4个天线,就可将这些装置的可用带宽直接增加9倍左右。估计这项技术可以在未来3-5年内进入市场。技术的进步可能创造更多可用的带宽。

    荷兰代尔夫特理工大学电气工程师Taco Visser认为,涡旋电磁波肯定可以用来提高无线通信的容量,但是大气湍流(引起信号的振幅和相位扰动)很可能限制电磁波束的扭曲程度,从而限制可用信道的数目。此外,诸如移动电话的移动装置如何发射这样的涡旋电磁波还不清楚,因为每个信道都要求有各自的用来扭曲电磁波的螺旋反射器。不过,Tamburini说已经设计并模拟证明了一个并不要求每个信道都要有各自的螺旋反射器的方案,目前正在建立原型系统并申请专利保护。最复杂的事情将是如何向一个正在移动的装置发送和接收涡旋电磁波。

    其实,物理学家早在20来年前就在激光腔中实现了对可见光的扭曲。物理学家把这种扭曲的光束称作涡旋光束,它是具有连续螺旋状相位的光束,其波阵面既不是平面,也不是球面,而是像旋涡状。涡旋光束具有奇异性,其旋涡的中心是一个暗核,此处光强消失,在传播过程中也保持光强为零。涡旋光束有广泛的应用,其中最突出的应用是它可作为“光镊”或“光学扳手”操控原子、细胞及其他微粒,应用于纳米技术等。ThidéTamburini等人的工作除了如上所述的可应用于无线通信以外,也可以利用涡旋无线电波升级“光镊”或“光学扳手”,正如Visser所说,这样就不仅能操纵微米亚微米粒子,还可操纵数毫米大小的物体,用于遥控细小的有毒或放射性物体。

    涡旋光束是近几年光学领域的一个研究热点。已有多种方式可以产生光波段的涡旋光束,然而,一直无人将涡旋光束的概念引申到用于通信的微波波段。ThidéTamburini等人工作的意义在于他们首次实现了微波涡旋并提出了用于增大无线通信容量的构想。他们产生微波涡旋的做法其实谈不上创新,只是借鉴了光学涡旋的产生方法之一。利用一种通常用于长距离通信中的无线路由器天线发射电磁波,用一个离天线数米远的八级旋转楼梯状结构作为反射器,反射器的轴线与电磁波束平行,当电磁波入射到反射器后,波前的不同部分从不同的梯级上反射出去,从而引起相邻部分的反射有一个相对延迟,进而导致波前扭曲,形成反射器状的波前。

    通常来说,对电磁波和光波的操控是越往短波长方向越困难,这也是为什么研究人员在从事相关工作时先从电磁波段入手,再向光波段挺进的原因,如光子晶体、人工电磁超常材料(metamaterials)等。而ThidéTamburini等人恰恰是反其道而行之,从光波段的现象和效应得到启发,做出电磁波段的类似工作并发展新的应用,而这个应用又正好是人类目前所面临的最重大需求之一。创新和需求是相辅相成的,如果不是ThidéTamburini等人构想出来的需求,仅凭他们“模仿性”的科学发现,料不会引起nature的关注的。

    我的团队在涡旋光学方面也做过一些相关工作,在Physical Review等刊物也发表过系列论文。平时沉浸于科学问题的冥思苦想也许是多了点,恰恰是对科学研究的应用需求思考还不够。

References

[1]   E. Cartlidge, Adding a twist to radio technology, http://www.nature.com/news/2011/110222/full/news.2011.114.html

[2]  F. Tamburini, B. Thidé, et al., Nature Phys. advance online publication doi:10.1038/nphys1907 (2011).


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